JPS5811596B2 - 中性子検出システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は放射線を検出および測定するための電離箱およ
び自己動作型の検出器の組合せからなる検出システムに
関し、本明細書中においては、原子炉の炉心中における
中性子束の検出および測定に関してこれらを説明する。

原子炉の炉心中における中性子束を測定および監視する
ための炉心検出器装置はジー・アール・パーツ（Ｇ、Ｒ
，Ｐａｒ−ｋｏｓ）等によって米国特許第３５６５７６
０号中に開示されている。

電離箱は周知のものであり、たとえばエル・アール・ボ
イド（Ｌ、Ｒ，Ｂｏｙｄ）等の米国特許第３０４３９５
４号中に示されている。

簡略に述べれば、このような電離箱はその間の中性子感
知物質と電離性の気体とによって互いに電気的に絶縁さ
れた一対の間隔を置いて設けた電極を含む。

たとえば、分裂箱の場合では、この中性子感知物質は中
性子によって核分裂させられるウラン等のような物質で
ある。

したがって、照射される中性子によってウランが核分裂
し、分裂生成物が中性子束の強さに比例して上記の気体
を電離させる。

電極間に印加されている直流電圧によって、電離量に比
例し、したがって中性子束に比例する出力電流が生じる
。

この他に米国特許第３０４３９５４号中に記載されてい
るような、中性子感知物質がたとえば気体状の三フッ化
ホウ素である公知の型式の中性子感知電離箱がある。

中性子検出器としては、電離箱は感度、適当な寿命およ
び中性子束の変化に対する迅速な応答性等にすぐれてい
る。

しかしそれらの応答は非直線的になりやすく、中性子束
対出力電流の値を任意の一つの電離箱について正確に予
測することができず、各電離箱を較正せねばならない。

しかも、それらは使用中に中性子感知物質の消耗による
感度の損失のため相当類ばんに較正し直す必要がある（
たとえば、前記米国特許第３５６５７６０号開示の装置
では退出自在に水平移動する電離箱を設けて、固定され
た炉心電離箱を定期的に再較正するようになされである
）。

また、これらの電離箱は比較的こわれやすく、そして種
々の誤動作によって感度が変化し、これらの存在や程度
は再較正しなければ検出されない。

自己動作式の中性子検出器もまた「原子力エネルギーＡ
ｔｏｍｎａｙａ Ｅｎｅｒｇｉｙａ）」第１０巻、１号
、（１９６１年１月発行）７２〜７３頁のエム・ジー・
ミツチルマン（Ｍ。

Ｇ、Ｍｉｔｅｌｍａｎ）等による論文“寿命の短い放射
性同位元素のエネルギーの変換”ならびにハリス（Ｈａ
ｒｒｉｓ）による米国特許第３１４７３７９号、ガーリ
ック（Ｇａｒｌｉｃｋ）等による米国特許第３２５９７
４５号、ヒルボーン（Ｈｉｌｂｏｒｎ）による米国特許
第３３７５３７０号、トレイネン（Ｔｒｅｉｎｅｎ）等
による米国特許第３３９０２７０号およびアンダーマン
（Ａｎｄｅｒｓｏｎ）による米国特許第３４００２８９
号に記載されているように周知である。

自己動作型（ｓｅｌｆ−ｐｏｗｅｒｅｄ）検出器の名称
はそれらが外部電源を必要とせずに電流を生成すること
によるものである。

簡略に述べれば、自己動作検出器は固体絶縁物質の対向
する側に設けたエミッタ電極とコレクタ電極とを含む。

前記の引用文献によって示されているように、これらの
エミッタ、コレクタおよび絶縁物質としては多くの適当
なものがある。

また、たとえば放射化（β−崩壊）、内部転換、コンプ
トン効果等のように使用物質に応じて幾つかの動作原理
がある。

いずれの場合にも、電極の体積、および物質またはこれ
らの中の一つを適当に選ぶことによって、中性子束中に
おいてはコレクタ電極に比較してエミッタ電極によって
より多くの電子が生成され、この結果として生じる電子
生成の割合の差によって中性子束の強さに比例した信号
電流が形成される。

自己動作検出器は直線性が良く堅ろうな点ですぐれてい
る。

しかし、エミッタ電極としてロジウムのようなβ線放出
電極を用いる場合には、エミッタの中性子照射の結果形
成されるアイソトープの放射能寿命によって中性子束の
変化に対する平衡応答に遅れが生じる。

この遅延は数分間に及ぶこともあり、前記米国特許第３
５６５７６０号記載のように、この遅延時間は長すぎる
ために装置の要求する所望の迅速な炉心保護応答が与え
られない。

以下本発明の詳細を添付の図面を参照して説明する。

第１図は原子炉の炉心１１中における中性子束を監視す
るために該炉心中に配置された多数の検知器１０の概略
を示す。

周知のようにこのような炉心はそれぞれがＵ−２３５の
ような分裂性物質を含む多数の燃料要素または燃料棒を
有する間隔を置いて設けた多数の燃料組立体１２を含む
。

これら燃料組立体１２０間の空隙には検出器１０を入れ
るだめの保護管１３を設けである。

冷却材を（図示されていない手段によって）燃料組立体
を通して循環させてこゝから熱を抽出する。

管１３は封止してもよく、または図示のように開口させ
て冷却材の流れを検出器から受けるようにしてもよい。

実際には米国特許第３５６５７６０号中に詳細に説明お
よび図示されるように、多数の検出器を炉心中に予め定
められた構成で配置し、幾つかの検出器を各保護管１３
中において種々の異なった炉心の高さにおき、炉心中の
中性子束の強さと分布を正確に示すようになされる。

本発明の中性子検出システムに用いる検出器１０の概要
を第２図に示す。

検出器には間隔を置いて設けた三つの導電性電極１６．
１７および１８が含まれる。

これら電極の中、１６と１７の間の空隙にはたとえば酸
化アルミニウムのような軽金属酸化物等の絶縁材料１９
を充填しである。

電極１７と１８との間の空隙２１は密封して電離性気体
、たとえばアルゴンのような希ガスを充填しである。

電極１７および１８の一方または双方の表面にはたとえ
ば核分裂性ウラニウムのような中性子によって放射化さ
れる物質よりなるフィルム、層またはコーティング２２
を施しである。

絶縁材料１９をその間に有する電極１６および１７は検
出器１０の自己動作部３０を形成する。

したがって、電極１６および１７の中の一方が体積また
は選択された物質の違いによってエミッタ電極となり他
方の電極がコレクタ電極となる。

たとえば電極１７をロジウムのような物質で形成してエ
ミッタ電極とすると共に電極１６をステンレス鋼のよう
な物質で形成してコレクタ電極としてもよい。

中性子束が照射されると、電極１６および１７の間にゼ
ロではない実質的な電流が生成され、中性子束の強さに
比例した生成電流Ｉｓを端子２６および２７に夫々接続
した電流計２３によって検出することができる。

電離性気体および核分裂性物質のような中性子によって
放射化される物質２２をそれらの間に有する電極１７お
よび１８によって検出器１０の分裂相部３１が形成され
る。

中性子束の存在下では、分裂性物質からなるコーティン
グ２２は中性子束に比例した割合で分裂反応を受ける。

分裂生成物は空間２１中の気体を核分裂の数に比例して
電離させる。

電極１７および１８の間に接続された適当な電圧の電源
２４によってイオンの対が電極に収集される。

したがって中性子束に比例する生成電流■ｆを端子２７
および２８に夫々接続した電流計２９によって検出する
ことができる。

中性子検出器の感度は検出器に照射される中性子束の強
さに対する検出器からの出力電流の大きさとして表わさ
れる。

中性子検出器の感度は中性子によって活性化される物質
の転換（消耗）のため使用と共に減少する。

検出器１０の自己動作部３０の感度は次のように表わす
ことができる （１）Ｓｓ（ｔ）＝Ｓｓ（０）ｅ（−σＳφｔ）、但し
式中、ｔは中性子束の照射時間、 ５ｓ（ｔ）は時点ｔにおける自己動作部３０の感度、 ５ｓ（０）は初期感度、 φは時間ｔにわたっての平均中性子束、 σｓはエミッタ物質の転換（吸収）断面 積、 ｅは自然対数の基数である。

同様にして検出器１０の分裂組部３１の感度は次のよう
に表わすことができる。

（２）Ｓｆ（ｔ）−Ｓｆ（０）ｅ（−σｆφｔ）、但し
式中、５ｆ（ｔ）は時点ｔにおける分裂組部３１の感度
、 ５ｆ（０）は初期感度、 σｆは分裂性物質２２の転換（吸収）断 面積である。

前記のように自己動作部３０の応答は分裂組部３１より
も直線的であってその感度をより正確に予測できる。

したがって、本発明の装置によれば、自己動作部３０か
らの信号を用いて予測がより困難な分裂組部３１の感度
変化を補償する。

これは次のようにして行なわれる。

分裂箱からの電流の値を中性子束の初期照射時において
自己動作部からの電流の値で割ってＲ（０）で示される
初期の電流比とすると、 照射時点ｔにおけるこの電流比をＲ（ｔ）すれば、式（
３）および（４）を組合せれば、 （５）Ｒ（ｔ）＝Ｒ（０）ｅ〔−（σｆ−σｓ）φｔ〕
または但し式中、Ｌｎはｅを基数とする対数を示す。

σｆおよびσｓは良く知られている値であるから、中性
子の照射または流れの値φｔは（６）式によって２つの
測定量Ｒ（０）およびＲ（ｔ）から得られる。

この中性子照射の値φｔを（１）式に用いて分裂箱の現
在の（照射時点ｔでの）感度を得ることができる。

このようにして求めた値５ｆ（ｔ）を用いて以下に述べ
るようにして感度補償調整をすることができる。

分裂箱の定期的較正のための装置を第３図に示す。

炉心中の各分裂組部３１の端子２８は各利得制御増巾器
１２８の入力端に接続しである（この増巾器１２８はた
とえば米国特許第３５６５７６０号の第７図の同一番号
の増巾器と同一のものである）。

増巾器１２８の利得は各利得制御装置３２に対するサー
ボ機構その他の適当な接続部によって制御される。

特別目的用のまたは適当にプログラムされた一般用コン
ピュータのいずれでもよいコンピュータ３３が検出器３
０および３１からの信号を端子２６および２８を介して
受け、各検出器１０についての初期信号比Ｒ（０）を計
算して記憶し、そして前記の関係式（６）および（１）
の解によって分裂組部３１の電流（時点ｔ）感度に比例
した信号を利得制御装置３２に与える。

この感度信号に関して、利得制御装置３２は増巾器１２
８の利得を、該増巾器１２８からの出力信号が各時点で
の分裂箱感度に応じて較正されるように設定する。

炉心中の種々の検出器１０ならびにこれらに関連する利
得制御装置３２は、たとえばコンピュータ３３によって
制御される作動化装置３６によって作動される二連段階
スイッチ３４等によって順次コンピュータに対して接続
される。

このようにして、炉心内の各検出器１０はコンピュータ
によって定期的に感知され、各増巾器１２８の利得は分
裂箱の較正が保持されるように調整される。

用途によっては分裂箱３１の連続的な較正調節を行なう
ことが望ましい。

これは第４図示の装置によって行なわれ、この装置によ
れば第３図示のような中央コンピュータおよび定期的な
走査装置ではなく、各検出器１０に対して夫々の計算お
よび利得制御装置が設けられる。

第４図示の装置はその動作時において分裂相部３１の各
時点での感度を連続的に決定し、増巾器１２８の連続的
利得制御装置として、それに対して比例する信号を形成
する。

第４図示の装置の動作については以下のことを考慮する
ことによって充分に理解されるよう。

すでに述べたように、Ｒ（ｔ）は時点ｔにおける分裂相
電流■ｆの自己動作検知器電流Ｉｓに対する比であって
、関係式（６）は次のように書き換えられる。

関係式（７）および（１）を組合せると、（８）Ｓｆ（
ｔ）＝Ｓｆ（０）ｅ が得られる。

関係式（８）はさらに次のように書き換えられる。

断面積についてのσｆおよびσｓは既知の値でができる
。

同様にして、初期比Ｒ（０）および初期分裂箱感度５ｆ
（０）を決定した後では、 の値を定数Ｃ２として表わすことができる。

したがって、関係式（９）は次のように表わされる。

第４図について述べれば多数の構成要素４１〜４６をこ
の関係式を満たすように設けである（構成要素４１〜４
６はたとえば前記の機能を与えるための周知の電子回路
でもよい）。

さらに詳述すれば、端子２８および２６で受けた検出器
電流■ｆおよび■ｓが構成要素４１および４２の入力端
に対して夫々印加される（分裂相電流■ｆはライン４８
を介して増巾器１２８の信号入力端にも印加される）。

構成要素４１および４２は入力電流の対数に比例した出
力信号を形成する。

これらの出力信号は減算機能を備えた構成要素４３（一
定利得の差動増巾器）に加えられる構成要素４４は信号
を定数Ｃ１で乗算する。

構成要素４５はその入力信号の真数に比例する出力信号
を形成し、そして構成要素４６はこの信号に定数Ｃ２を
乗算する。

したがって、構成要素４６からの出力信号は各時点での
分裂箱感度５ｆ（ｔ）に比例しこの信号はライン４７を
介して利得制御信号として増巾器１２８に加えられ、こ
の信号の印加によって増巾器１２８からの分裂箱出力信
号についての較正が連続的に保たれる。

構成要素４４および４６にはそれぞれ装置の動作を最初
に調整するため、調節可能な利得制御器４９および５１
を設けである。

すなわち、構成要素４４の利得は定数Ｃ１の大きさにし
たがって調整され、一方構成要素４６の利得は定数Ｃ２
にしたがって調整されるがこゝで定数Ｃ２は初期分裂箱
感度５ｆ（Ｏ）おｉび初期電流比Ｒ（０）の大きさを含
むことが分る（たとえば、構成要素４６の利得の調整は
増巾器１２８からの出力信号を予め定められた基準値と
比較することによってなされる）。

検出器の特定の具体例を以下第５図および第６図につい
て説明する。

第５図示のように、検出器１００には絶縁材料１０２の
層をとりかこむ管状殻体１０１、管状の中間電極１０３
、中性子によって放射化される物質１０４（たとえばＵ
−２３５等）の層、気体空隙１０６および円筒状の中心
電極１０７が含まれる（中性子によって放射化される物
質１０４は図示のように電極１０３の内部表面上に設け
てもよく、または電極１０７の外側表面、さらにはこの
両表面上に設けてもよい）。

検出器１００の自己動作部はこのようにして中間電極１
０３、絶縁材料１０２および外殻体１０１によって形成
され、この外殻体１０１はコレクタ電極として作用する
。

分裂組部は中間電極１０３、層１０４、気体空隙１０６
および中心電極１０７によって形成される。

外殻体１０１はステンレス鋼からつくってもよい。

絶縁材料１０２は酸化アルミニウムでよく、中間電極１
０３はロジウムからつくってもよく気体空隙にはアルゴ
ンを含んでいてもよくそして中心電極１０７はステンレ
ス鋼からつくったものでもよい。

中心電極１０７は一対の環状絶縁体１０８および１０９
によって外殻１０１中に支持されている。

外殻体１０１、ならびに電極１０３および１０７は右側
端部において、中心電極１０７に結合された中心導体１
１２、リング１１４によって中間電極１０３に結合され
た中間導体１１３および外殻体１０１に対して結合され
た外側導体１１６を備えた３同軸ケーブル１１１に結合
されている。

外殻体１０１は左側端部において捻り切り管１１８を含
む端部枠１１７によって封止されており、この管１１８
によって検出器が抜気され、適当な気体を逆に充填され
そして封止される。

本発明に使用する別の検出器の具体例を第６図に示す。

第６図示のように一検出器２００には気体空隙２０６を
取りかこむ管状の外殻体２０１、中間電極２０３、中性
子によって放射化される物質の層２０４、絶縁層２０２
および中心電極２０７が含まれる（中性子によって放射
化される物質２０４は図示のよう電極２０３の外側表面
においてもよく、または電極２０１の内側表面上にさら
にはこれらの両表面上においてもよい）。

この具体例では、自己動作検出部はたとえばロジウムか
ら形成されてエミッタとして作用する中心電極２０７、
絶縁層２０２（たとえば酸化アルミニウム）ならびにス
テンレス鋼から形成されてコレクタ電極として作用する
中間電極２０３によって形成される。

分裂組部は中間電極２０３、層２０４（たとえば分裂性
ウラン）、気体空隙２０６中におけるアルゴンのような
気体、および分裂箱の他方の電極として作用する外殻体
２０１からなる。

中間電極２０３にはその左側端部で栓２１９を取付け、
この栓は環状絶縁体２０８によって外殻体２０１中に支
持させである。

電極２０３はその右側端部で外殻体２０１に対し環状絶
縁体２０９によって間隔を置いて支持させである。

電極２０３および２０７ならびに外殻体２０１は３同軸
ケーブル２１１の各導体２１２，２１３および２１６に
対して接続してあり、中間電極２０３と導体２１３との
間を橋絡するために接続リング２１４を設けである。

外殻体２０１は左側端部において、捻り切り管２１８を
含む端部枠２１７によって封止してあり、この管２１８
は空隙２０６を抜気すると共に適当な気体によって逆に
充填するためのものである。

以下本発明の好ましい実施態様を記載する。

１、ある与えられた型式の第１の中性子検出器およびこ
れとは異なった型式の第２の中性子検出器と；上記第１
および第２の中性子検出器からの信号を受けるための、
これら信号の大きさを比較するための装置を含みかつ上
記第１の中性子検出器からの信号を受けるための可変利
得装置を含む装置と；上記可変利得装置の利得を上記第
１および第２の検出器からの上記の信号の相対的な大き
さに比例して調整するための装置とを含む中性子検出装
置。

２、電離相検出器および自己動作検出器と；これら検出
器からの信号を受けるための、上記信号の大きさを比較
する装置を含みかつ上記電離箱からの信号を受けるため
の可変利得増巾器を含む装置と；上記増巾器の利得を上
記検出器からの上記信号の相対的な大きさに比例して調
整するための装置とを含む上記中性子検出装置。

３、燃料炉心と；該炉心中に分散して設けられて夫々が
電離箱部および自己動作部を備えた多数の中性子検出器
と；上記各検出器についてその電離箱からの信号を受け
るためのそれぞれの可変利得増巾器と；上記各検出器の
電離箱部および自己動作部からの信号の大きさを比較す
るための装置と；上記各増巾器の利得をそれぞれの検出
器の電離箱および自己動作部からの信号の相対的な大き
さに比例して調整するための装置とを有する原子炉。

【図面の簡単な説明】

第１図は炉心中の検出器の概略を示す図、第２図は検出
器の概略を示す図、第３図は定期的較正装置の概略を示
す図、第４図は連続的較正装置の概略を示す図、第５図
は本発明に使用する検出器の一つの具体例の縦断面図で
あり、第６図は本発明に使用する検出器の別の具体例の
縦断面図である。 図中、１０：検知器、１１：炉心、１２：燃料組立体、
１３：保護管、１６，１７．１８：導電性電極、１９：
絶縁材料、２１：空隙、２２：コーティング、２３：電
流計、２４：電源（イオン対収集用）、２６，２７，２
８：端子、２９：電流計、３０：自己動作部、３１：分
裂相部、３２：利得制御装置、３３：コンピュータ、３
４：スイッチ、３６：作動装置（スイッチの作動）、４
１．４２：対数変換装置、４３：差動増巾器（減算装置
）、４４：乗算装置（ＸＣ１）、４５：逆対数変換装置
、４６：乗算装置（ＸＣ２）、４９゜５１：利得制御装
置、１００：検出器、１０１：管状外殻体、１０２：中
間電極、１０４：中性子による放射化物質（Ｕ−２３６
）、１０６：気体空隙、１０７：中心電極、１１１：３
同軸ケーブル、２００：検出器、２０１：管状外殻体、
２０２：絶縁層、２０３：中間電極、２０４：中性子に
よる放射化物質、２０６：気体空隙、２０７：中心電極
、２１１：３同軸ケーブル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 電離相検出器及び自己動作型検出器と、電離相検出
   器からの信号と自己動作型検出器からの信号とを受取っ
   て、該信号の大きさを比較する比較装置と、電離相検出
   器からの信号を受けとる可変利得増幅器と、そして前記
   比較装置で得られた、自己動作型検出器からの信号に対
   する電離相検出器からの信号の比に比例して、前記可変
   利得増幅器の利得を調整する制御装置とを有する中性子
   検出システム。